JPH04338924A - 空間光変調素子および神経ネットワーク回路 - Google Patents

空間光変調素子および神経ネットワーク回路

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JPH04338924A
JPH04338924A JP3001145A JP114591A JPH04338924A JP H04338924 A JPH04338924 A JP H04338924A JP 3001145 A JP3001145 A JP 3001145A JP 114591 A JP114591 A JP 114591A JP H04338924 A JPH04338924 A JP H04338924A
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neural network
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昭雄 滝本
Koji Akiyama
浩二 秋山
Michihiro Miyauchi
美智博 宮内
Yasunori Kuratomi
蔵富　靖規
Koji Nomura
幸治 野村
Kuni Ogawa
小川　久仁
Junko Asayama
純子 朝山
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光演算装置あるいはデ
ィスプレイに用いられる空間光変調素子、および神経系
と類似な入出力動作、例えばパタ−ン認識、連想記憶、
並列演算処理などを行なう神経ネットワ−ク回路に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】空間光変調素子は、光論理演算や光ニュ
−ロコンピュ−ティングなどの光演算を実現するための
重要な素子である。特に、光の並列性は並列のダイナミ
ックスにより演算を行うニュ−ラルネットワ−クと整合
していること、電気回路のような配線の必要がないため
ニュ−ロン間の多重接続を実現し易いことなどから、光
ニュ−ロコンピュ−ティングの様々な構成が提案されて
いる。
【０００３】また、ニュ−ロコンピュ−ティングの重要
な演算の１つに、多数の入力に対し和算を行い、その結
果に対し閾値処理するというものがある。このような演
算機能を有する空間光変調素子もニュ−ラルネットワ−
クをハ−ドウェア化する上で必要である。和算および閾
値処理機能をもつ空間光変調素子およびこれを用いて光
ニュ−ロコンピュ−タを実現した例は、特開平２−１４
４５２４号公報，特開平２−２５６０２７号公報に報告
されている。これらは、複数の光導電層を直列に配列し
たものを液晶層と電気的に接続した光閾値素子、あるい
は複数の直列に配列した光導電層と電界効果型トランジ
スタと液晶層を電気的に接続した光閾値素子、およびこ
れらの光閾値素子を用いて構成したニュ−ラルネットワ
−クに関する内容である。
【０００４】光ニュ−ロコンピュ−ティングは、基本的
には入力情報を与える光源から出た光を、シナプス荷重
に相当する光学マスクパタ−ンを通して光閾値素子に入
射し、閾値処理された出力を読み取るという形で構成さ
れる。この光ニュ−ロシステムに学習機能を与える場合
には、光学マスクには電界の印加や光の入射によって光
の透過量を制御できる書換え可能な空間光変調素子が用
いられ、学習機能を持たない場合には固定マスクパタ−
ンが使用される。
【０００５】従来例の光閾値素子およびそれを用いたニ
ュ−ラルネットワ−クではシナプス結合を直列接続する
ため高速演算ができない問題があった。
【０００６】従来例を除いた光ニューロコンピュータで
は、光和算および閾値処理機能をもつ空間光変調素子が
ないため、閾値処理は電子回路または計算機を用いて行
っている。従って、閾値処理を行うために光−電気変換
を行わなければならず、光の並列性の特徴が活かせてい
ないだけでなく、階層構造のネットワ−クを実現するの
が非常に困難になっている。
【０００７】このような従来の問題点を解決するため、
光和算および閾値処理を高速に実行できる空間光変調素
子を提案した。即ち光和算機能を実現するとき各シナプ
ス結合に相当する光導電層を並列に結合する構成である
。この構成によって、光和算および光閾値演算を高速に
行なうことを可能とした。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】強誘電液晶と整流性を
有する光導電層を積層して構成される空間光変調素子は
、応答速度ならびに光感度を高める。空間光変調素子の
駆動は、正負の電圧パルスを交互に印加する方法が用い
られる。しかし、この場合光導電層の整流性により、常
に液晶層に直流バイアスが印加されている状態と等価に
なる。従って駆動時間とともに絶縁性を有する配向膜に
電荷が蓄積される問題が生じる。よって強誘電層は双安
定なメモリ−状態を実現できなくなり、光演算が不可能
となる。
【０００９】本発明は以上の従来問題点を解決した空間
光変調素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明の空間光変調素子は、整流性を有する光導電層
と強誘電性液晶からなる層とで構成される空間光変調素
子において、強誘電性液晶を、その一般式が（化１）で
示されるポリイミド層ではさむ構成とする。
【００１１】
【作用】光導電層と強誘電層の間に存在する従来絶縁性
であった高分子配向膜が、電荷の蓄積することの少ない
ポリイミドに代えられる。即ち一般式（化１）で表わさ
れるポリイミド配向膜は、その骨格構造中のジアミン成
分である化学式（化２）の部分が有効に電荷を輸送する
能力に長けている。従って駆動時間とともに配向膜に電
荷が蓄積されることがなく、安定に強誘電層は双安定な
メモリ−状態を実現する。
【００１２】
【化２】
【００１３】（但し、ｎ≧２、 Ｘ：Ｏ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅのいずれか Ｙ：芳香族或は置換芳香族基）
【００１４】
【実施例】本発明の実施例について、図面を参照しなが
ら説明する。
【００１５】図１に本発明の空間変調素子の一実施例を
示す。図１は反射型の断面図を示している。素子の構成
は、透明絶縁性基板としてガラス基板１０１上に透明導
電性電極１０２（例えば、ＩＴＯまたはＳｎＯｘ）を形
成しており、さらにその上に光導電層１０３を積層して
いる。光導電層１０３上には反射電極１０４を形成する
。ラビング処理を施した一般式が（化１）で示されるポ
リイミド配向膜１０５を積層する。これと透明絶縁性基
板としたガラス基板１０９上に透明導電性電極１０８お
よびラビング処理を施した前出同様のポリイミド配向膜
１０７を積層したものとで強誘電液晶１０６をはさみ、
偏光子１１０、検光子１１１を配置して空間光変調素子
１１２を構成している。
【００１６】光書き込みの入力光１１３と、光演算後の
結果を読みだす出力光１１４は異なる。図２に一例とし
て透過型の空間光変調素子の断面図を示す。
【００１７】一般式（化１）で表せられるポリイミドと
しては、例えば一般式（化１）の構造のＹ：芳香族或は
置換芳香族には以下のものが例として上げられる。ベン
ゼン、アントラセン、ナフタレン、ピレン、ペリレン、
ナフタセン、ベンゾアントラセン、ベンゾフェナントレ
ン、クリセン、トリフェニレン、フェナントレン等の縮
合多環炭化水素及びその置換誘導体、アントラキノン、
ジベンゾピレンキノン、アントアントロン、イソビオラ
ントロン、ピラントロン等の縮合多環キノン及びその置
換誘導体、無金属フタロシアニン、銅、鉛、ニッケル、
アルミニウム等の金属を含む金属フタロシアニン、イン
ジゴ、チオインジゴ等、及びこれらの誘導体である。
【００１８】構造式（化３）〜（化７）は、ジアミン成
分の異なった場合であり、一般式（化１）において（Ｘ
、Ｙ）が（Ｓ，ベンゼン環）の（化３）、（Ｓｅ、ベン
ゼン環）の（化４）、（Ｓ、ナフタレン環）の（化５）
、（Ｓ，アントラセン環）の（化６）、（Ｓ，ペリレン
環）の（化７）である。
【００１９】構造式（化８）〜（化１３）はカルボン酸
酸成分、一般式（化１）のＺが異なった場合である。３
，３’，４，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二
無水物の（化８）、３，３’，４，４’−ビフェニルテ
トラカルボン酸二無水物の（化９）、１，１’，５，５
’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物の（化１０）
、ナフタレン−１，４，５，８−テトラカルボン酸二無
水物の（化１１）、ナフタレン−２，３，６，７−テト
ラカルボン酸二無水物の（化１２）、ペリレン−３，４
，９，１０−テトラカルボン酸二無水物の（化１３）で
ある。
【００２０】
【化３】
【００２１】
【化４】
【００２２】
【化５】
【００２３】
【化６】
【００２４】
【化７】
【００２５】
【化８】
【００２６】
【化９】
【００２７】
【化１０】
【００２８】
【化１１】
【００２９】
【化１２】
【００３０】
【化１３】
【００３１】光導電層１０３に使用する材料は、暗時で
は誘電体として動作し、光照射時には光導電性により誘
電体の特性を失うものである。例えば、ＣｄＳ，ＣｄＴ
ｅ，ＣｄＳｅ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＧａＡｓ，ＧａＮ，
ＧａＰ，ＧａＡｌＡｓ，ＩｎＰ等の化合物半導体、Ｓｅ
，ＳｅＴｅ，ＡｓＳｅ等の非晶質半導体、Ｓｉ，Ｇｅ，
Ｓｉ１−ｘＣｘ，Ｓｉ１−ｘＧｅｘ，Ｇｅ１−ｘＣｘ（
０＜ｘ＜１）の多結晶または非晶質半導体、また、（１
）フタロシアニン顔料（Ｐｃと略す）例えば無金属Ｐｃ
，ＸＰｃ（Ｘ＝Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｏ，ＴｉＯ，Ｍｇ，Ｓｉ
（ＯＨ）２など），ＡｌＣｌＰｃＣｌ，ＴｉＯＣｌＰｃ
Ｃｌ，ＩｎＣｌＰｃＣｌ，ＩｎＣｌＰｃ，ＩｎＢｒＰｃ
Ｂｒなど、（２）モノアゾ色素，ジスアゾ色素などのア
ゾ系色素、（３）ペニレン酸無水化物およびペニレン酸
イミドなどのペニレン系顔料、（４）インジゴイド染料
、（５）キナクリドン顔料、（６）アントラキノン類、
ピレンキノン類などの多環キノン類、（７）シアニン色
素、（８）キサンテン染料、（９）ＰＶＫ／ＴＮＦなど
の電荷移動錯体、（１０）ビリリウム塩染料とポリカー
ボネイト樹脂から形成される共晶錯体、（１１）アズレ
ニウム塩化合物など有機半導体がある。
【００３２】また、非晶質のＳｉ，Ｇｅ，Ｓｉ１−ｘＣ
ｘ，Ｓｉ１−ｘＧｅｘ，Ｇｅ１−ｘＣｘ（以下、ａ−Ｓ
ｉ，ａ−Ｇｅ，ａ−Ｓｉ１−ｘＣｘ，ａ−Ｓｉ１−ｘＧ
ｅｘ，ａ−Ｇｅ１−ｘＣｘのように略す）を光導電層１
０３に使用する場合、水素またはハロゲン元素を含めて
もよく、誘電率を小さくするおよび抵抗率の増加のため
酸素または窒素を含めてもよい。抵抗率の制御にはｐ型
不純物であるＢ，Ａｌ，Ｇａなどの元素を、またはｎ型
不純物であるＰ，Ａｓ，Ｓｂなどの元素を添加してもよ
い。このように不純物を添加した非晶質材料を積層して
ｐ／ｎ，ｐ／ｉ，ｉ／ｎｐ／ｉ／ｎなどの接合を形成し
、光導電層１０３内に空乏層を形成するようにして誘電
率および暗抵抗あるいは動作電圧極性を制御してもよい
。
【００３３】このような非晶質材料だけでなく、上記の
材料を２種類以上積層してヘテロ接合を形成して光導電
層１０３内に空乏層を形成してもよい。
【００３４】また、光導電層１０３の膜厚は０．０１〜
１００μｍが望ましい。配向膜１０５，１０７は強有電
液晶分子の配向を層方向と平行になるように設定してあ
る。配向膜の厚みは１０００Ａ以下であり、望ましくは
１００Ａ以下である。偏光子１１０および検光子１１１
の偏光方向は直交である。　　液晶層１０９の液晶材料
としては、強誘電性液晶のカイラルスメクティックＣ液
晶を用いる。透過型空間光変調の場合、強誘電層の厚み
はおよそ２μｍに、反射型空間光変調の場合、１μｍに
設定するのが出力光のコントラストが高い。
【００３５】実施例１ 図１に示すように、ガラス基板１０１上に０．０５〜０
．５μｍ厚のＩＴＯをスパッタ法により成膜し、透明導
電性電極１０２を形成した。次に、プラズマＣＶＤ法に
より１〜３μｍ厚でｐ／ｉ／ｎダイオ−ド構成のａ−Ｓ
ｉ：Ｈ膜を光導電層１０３として積層し、この膜上に２
．５ｍｍ角のサイズで抵抗加熱法によりアルミニウム電
極パタ−ンを反射電極１０４として６×６＝３６画素形
成した。次にラビング処理を施した配向膜１０５を積層
した。配向膜１０５は構造（化８）を有するポリイミド
を使用した。このポリイミドはベンゾフェノンテトラカ
ルボン酸二無水物（以下ＢＰＤＡと称する。）とオリゴ
パラフェニレンスルフィドジアミン（重合度ｎのオリゴ
マ−の場合、ＳＤＡ−ｎと称する。）から重合されるポ
リイミド（ＢＰＤＡ−Ｐｈｎ）を使った。ポリイミドの
前駆体であるポリアミック酸の合成は、ＢＰＤＡとＳＤ
Ａ−ｎを溶媒ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃと称す）
中で行う。このポリアミック酸をスピナ−により前出基
板面に５０Ａ〜１０００Ａの範囲で塗布する。塗布後、
基板を熱処理炉に入れ、２３０℃１時間の加熱処理を施
す。この過程でポリイミド膜はイミド化と結晶化がなさ
れる。配向処理はナイロン布で表面を一定方向に擦る。
【００３６】全面にＩＴＯ電極パターンとして透明導電
性電極１０８を形成した対抗側のガラス基板１０９上に
、同様の方法でポリイミド配向膜１０７を積層した。片
側のガラス基板１０９上におよそ１μｍの液晶層厚みを
実現するのにイソプロピ−ルアルコ−ル中に分散させた
直径１μｍの樹脂ビ−ズをスプレ−によって撒く。その
後、両ガラス基板をＵＶ硬化樹脂で基板周囲を封入し液
晶セルを作製した。このセルに真空中で強誘電液晶ＺＬ
Ｉ−３６５４（メルク社製）を注入する。注入後均一配
向を得るため、ＺＬＩ−３６５４の相転移温度（６２℃
）以上の温度に加熱した後、１℃／分以下の徐冷速度で
室温にもどし再配向させた。
【００３７】偏光方向が互いに直交となるように偏光子
１１０および検光子１１１を配置して、空間光変調素子
１１２を作製した。
【００３８】この空間光変調素子１１２に交流電圧を印
加して、入力光１１３に白色光を用いて動作を確認した
。その結果、入力光１１３に対する出力光１１４の強度
は、偏光子１１０，検光子１１１の損失分を考えなけれ
ば７０〜８５％と非常に大きく、入力光１１３強度が数
μＷ／ｃｍ２以上あれば、出力光１１４の立ち上がりが
観測され、入射光１１３強度が小さくても十分動作する
ことが確認できた。一定電圧下で入力光１１３強度を増
加したときの出力光１１４強度の変化を図３に示す。連
続駆動をしてもこの閾値特性は変化なく、また駆動を止
めた後のメモリ−状態も安定で少なくとも１ケ月以上保
持することを確認した。
【００３９】実施例２ 図４に実施例１で用いた空間光変調素子１１２を光和算
および光閾値演算機能を担う素子として用いた神経ネッ
トワ−ク回路の模式図を示した。このシステムは演算を
すべて光で行なうものである。入力画像パタ−ン３０３
はアルファベット３文字（Ｏ，Ｐ，Ｔ）、およびこれら
の一部欠けた文字とした。直径３ｍｍ、焦点距離２０ｍ
ｍのレンズを２次元に６×６＝３６個配列したマルチレ
ンズアレイ３０４によって光学マスク３０５上に前出ア
ルファベット文字を展開する。光学マスク３０５は予め
３文字を直交学習法によって学習させたシナプス結合強
度を透過率に対応するように透明フィルム上に銀塩写真
として１６諧調で構成した。各ニュ−ロンに相当する各
アルミニウム反射電極１０４は、６×６＝３６個のシナ
プス結合に相当する光入力がある。ここで展開画像と光
学マスクの透過率の光積演算結果が入力される。光導電
層１０３では光入力の和に相当する光キヤリアが発生し
、電気抵抗が下がる。これによって強誘電液晶層１０６
にかかる電界が増加し、ある閾値以上の電界によって、
メモリ−状態が反転し、オン状態に移行する。光スイッ
チングに必要な照射光強度は図３に示すように数十μＷ
／ｃｍ２である。各アルファベット文字の完全文字パタ
−ンの入力に対して完全文字想起が確認された。更に不
完全文字パタ−ン入力に対しても、ハミング距離２まで
１００％認識することを確認した。
【００４０】実施例３ 実施例２の神経ネットワ−ク回路のシステムにおいて固
定シナプス結合を表わした光学マスクを学習能力を有す
るトランジスタ−駆動の液晶表示素子４０４で構成した
。 図５に模式図を示したが、入力画像は６×６＝３６個の
ＬＥＤ２次元アレイ４０２である。実施例２同様のマル
チレンズアレイ、光演算機能を有する実施例１の空間光
変調素子４０５を配置する。液晶表示素子４０４は３６
×３６のシナプス結合を表わす様に１シナプス当り４０
０μｍ×４００μｍの画素で構成した。学習過程は出力
画像パタ−ン４０７をＣＣＤカメラ４１０でとり、完全
パタ−ンの入力画像との差をパ−ソナルコンピュ−タ４
１１上で計算し光学マスク、即ち液晶表示素子４０４の
透過率変更を実行する。このシステムによって実施例２
同様のアルファベット３文字の不完全文字パタ−ンの入
力に対しての認識率を評価した。まずアルファベット３
文字の完全文字パタ−ンの入力に対してマスクの透過率
書換えが１０％以下になるまで繰り返し３文字を順に入
力する。５回で完了した。次に不完全文字をマスクの透
過率一定の固定状態で入力した。その結果、ハミング距
離３まで１００％認識するようになった。
【００４１】
【発明の効果】本発明によれば、高速動作で、光和算・
光閾値演算可能で、安定に動作する空間光変調素子が得
られる。この素子を用いた神経ネットワ−ク回路は学習
の収束に優れ、認識率の高いシステムを構築できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の反射型空間光変調素子の断面
図である。
【図２】本発明の実施例の透過型空間光変調素子の断面
図である。
【図３】反射型空間光変調素子において入射光強度を増
加したときの出力光強度の変化を示した図である。
【図４】本発明の実施例２の神経ネットワ−ク回路の模
式図である。
【図５】本発明の実施例３の神経ネットワ−ク回路の模
式図である。
【符号の説明】
１０１　　ガラス基板 １０２　　透明導電性電極 １０３　　光導電層 １０４　　反射電極 １０５　　ポリイミド配向膜 １０６　　強誘電液晶層 １０７　　ポリイミド配向膜 １０８　　透明導電性電極 １０９　　ガラス基板 １１０　　偏光子 １１１　　検光子 １１２　　反射型空間光変調素子 １１３　　入力光 １１４　　出力光

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　整流性を有する光導電層と強誘電性液
    晶からなる層とで構成される空間光変調素子において、
    強誘電性液晶を、その一般式が（化１）で示されるポリ
    イミド層ではさむことを特徴とする空間光変調素子。 【化１】 （但し、ｎ≧２、 Ｘ：Ｏ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅのいずれか Ｙ：芳香族或は置換芳香族基 Ｚ：芳香族を含む基）
  2. 【請求項２】　　少なくとも請求項１記載の空間光変調
    素子および光学マスクを有することを特徴とする神経ネ
    ットワ−ク回路。
  3. 【請求項３】　　光学マスクが電界または光照射によっ
    て光の透過量が変化する空間光変調素子で構成されるこ
    とを特徴とする請求項２記載の神経ネットワ−ク回路。
  4. 【請求項４】　　光学マスクが電界効果型トランジスタ
    で駆動され、光の透過量が制御される液晶素子で構成さ
    れることを特徴とする請求項３記載の神経ネットワ−ク
    回路。
  5. 【請求項５】　　入力画像を２次元に配列したレンズに
    よって光学マスク上に展開することを特徴とする請求項
    ２記載の神経ネットワ−ク回路。
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